Введение. Рекомендовано УМО по образованию в области инфокоммуни­кационных технологий и систем связи в качестве учебного посо­бия для студентов высших учебных

Е.Л. Кон, М.М. Кулагина

НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА

КОМПОНЕНТОВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Рекомендовано УМО по образованию в области инфокоммуни­кационных технологий и систем связи в качестве учебного посо­бия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 210700 – Инфокоммуникационные тех­нологии и системы связи квалификации (степени) «бакалавр»

и квалификации (степени) «магистр»

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

УДК 681.518.54+658.5.015.11[-192(075.8)

К64

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор С.Ф. Тюрин

(Пермский национальный исследовательский

политехнический университет);

кандидат технических наук И.Ф. Федорищев

(ЗАО «ИВС», г. Пермь)

Кон, Е.Л.

К64	Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем: учеб. пособие / Е.Л. Кон, М.М. Кулагина. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 310 с.

ISBN 978-5-398-00678-0

Изложены вопросы надежности и диагностики компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем.

Предназначено для студентов направлений подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220400 «Управление в технических системах»», 090900 «Информа­ционная безопасность» и специальности 090303 «Информационная безопасность автоматизиро­ванных систем». Может быть полезно студентам других специальностей.

УДК 681.518.54+658.5.015.11[-192(075.8)

ISBN 978-5-398-00678-0 © ПНИПУ, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 7

1. Основные теоретические сведения. 9

1.1. Информационно-управляющие и инфокоммуникационные системы.. 9

1.2. Основные определения теории надежности. 13

1.2.1. Надежность и ее частные стороны.. 13

1.2.2. Виды надежности. 15

1.2.3. Отказы.. 15

1.2.4. Эффективность. 16

1.2.5. Восстановление. 17

1.3. Понятие случайных событий и случайных величин. 17

1.3.1. Надежность систем при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов. 20

1.3.2. Основное соединение элементов. 20

1.3.3. Параллельное соединение элементов. 21

1.4. Элементы теории нечетких множеств. 21

1.4.1. Понятие принадлежности и основные операции для четких подмножеств 21

1.4.2. Понятие принадлежности и основные операции для нечетких подмножеств 23

1.4.3. Отношение доминирования. 25

1.4.4. Простейшие операции над нечеткими множествами. 25

1.4.5. Расстояние Хэмминга. 27

Выводы.. 28

Вопросы и задания. 29

Список литературы.. 30

2. Надежность аппаратурного обеспечения. 31

2.1. Надежность невосстанавливаемых систем без резервирования. 31

2.1.1. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов. 31

2.1.2. Законы распределения случайных величин, используемые в теории надежности. 35

2.1.3. Использование l и l-характеристик для решения практических задач 41

2.1.4. Особенности расчета надежности при проектировании различных систем 43

2.1.5. Расчет надежности по блок-схеме системы.. 43

2.1.6. Расчет надежности при подборе элементов системы.. 44

2.1.7. Расчет надежности системы с учетом режимов работы элементов 45

2.1.8. Учет цикличности работы аппаратуры.. 45

2.2. Надежность невосстанавливаемых систем с резервированием. 46

2.2.1. Пути повышения надежности. 46

2.2.2. Методы резервирования. 47

2.2.3. Расчет надежности сложных систем при постоянно включенном резерве 48

2.2.4. Расчет надежности системы при резервировании замещением. 55

2.2.5. Резервирование замещением в случае нагруженного резерва. 58

2.2.6. Резервирование замещением в случае облегченного резерва. 59

2.2.7. Резервирование замещением в случае ненагруженного резерва 60

2.2.8. Расчет надежности систем с функциональным резервированием 63

2.3. Расчет надежности восстанавливаемых систем. 67

2.3.1. Критерий надежности систем с восстановлением. 67

2.3.2. Расчет надежности по графу работоспособности объекта. 70

2.3.3. Определение среднего времени наработки на отказ системы с восстановлением 75

2.3.4. Расчет надежности систем с восстановлением при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов. 76

2.3.5. Расчет надежности сложных инфокоммуникационных систем. 81

2.4. Расчет надежности восстанавливаемых систем при наличии системы контроля 98

2.4.1. Система встроенного контроля абсолютно надежна. 99

2.4.2. Система встроенного контроля самопроверяемая, и ее отказ обнаруживается сразу же. 101

2.4.3. Система встроенного самоконтроля несамопроверяемая. 103

2.5. Расчет надежности в условиях нечетко заданных исходных данных. 106

2.5.1. Выбор оптимального варианта для невосстанавливаемых систем 108

2.5.2. Выбор оптимального варианта для восстанавливаемых систем. 115

2.6. Расчет надежности систем на этапе эксплуатации. 122

2.6.1. Планирование и расчет периодов профилактик. 122

2.6.2. Планирование и расчет числа запасных изделий. 126

Выводы.. 128

Вопросы и задания. 130

Список литературы.. 131

3. Создание надежного программного обеспечения. 132

3.1. Надежность программного обеспечения. 132

3.1.1. Ошибки в ПО и их типы.. 133

3.1.2. Причины появления ошибок в программном обеспечении. 134

3.1.3. Отношения с пользователем (заказчиком) 136

3.1.4. Принципы и методы обеспечения надежности. 137

3.1.5. Последовательность выполнения процессов разработки программного обеспечения. 139

3.1.6. Сравнение надежности аппаратуры и программного обеспечения 140

3.2. Основные этапы проектирования программного обеспечения. 141

3.2.1. Правильность проектирования и планирование изменений. 144

3.2.2. Требования к ПО.. 145

3.2.3. Цели программного обеспечения. 146

3.2.4. Внешнее проектирование. 149

3.2.5. Проектирование архитектуры программы.. 156

3.2.6. Методы непосредственного повышения надежности модулей. 163

3.2.7. Проектирование и программирование модуля. 170

3.2.8. Стиль программирования. 176

3.3. Тестирование и верификация программ. 185

3.3.1. Проблемы тестирования программ. 186

3.3.2. Технологии тестирования программ. 187

3.3.3. Принципы тестирования. 190

3.4. Модели надежности ПО.. 193

3.4.1. Модель роста надежности. 193

3.4.2. Другие вероятностные модели. 196

3.4.3. Статистическая модель Миллса. 197

3.4.4. Простые интуитивные модели. 199

3.4.5. Объединение показателей надежности. 201

Выводы.. 203

Вопросы и задания. 204

Список литературы.. 205

4. Диагностика состояния сложных технических систем.. 207

4.1. Предмет, задачи и модели технической диагностики. 207

4.1.1. Предмет технической диагностики. 207

4.1.2. Основные аспекты, задачи и модели технической диагностики. 209

4.1.3. Классификация диагностических процедур и их краткая характеристика 221

4.2. Построение тестов. 225

4.2.1. Построение тестового набора методом активизации существенного пути 226

4.2.2. Алгоритм построения тестового набора для комбинационной схемы методом активизации существенного пути. 227

4.2.3. Построение тестов для схем с памятью.. 229

4.3. Функциональный контроль и диагностирование сложных технических систем 240

4.3.1. Полностью самопроверяемые цифровые устройства. 241

4.3.2. Схемы встроенного контроля. 242

4.3.3. Схемы сжатия. 243

4.3.4. Микропроцессор как объект функционального контроля. 246

4.3.5. Модель МП с точки зрения функционального контроля. 246

4.3.6. Диагностическая модель УУ МП системы.. 247

4.3.7. Критерии оценки методов контроля механизмов выборки, хранения и дешифрации команд. 250

4.3.8. Встроенный функциональный контроль механизмов хранения и дешифрации команд. 251

4.4. Экспертные системы диагностирования сложных технических систем 282

4.4.1. Обучение и его модели. Самообучение. 282

4.4.2. Экспертные системы и принципы их построения. 284

4.4.3. Проблема разделения в самообучаемых экспертных системах. 285

4.4.4. Алгоритмы обучения экспертных систем. 286

4.4.5. АСУ «интеллектуальным зданием». 292

4.4.6. Система, принимающая решения по максимальной вероятности 294

4.4.7. Система, принимающая решения по наименьшему расстоянию.. 299

4.4.8. Повышение достоверности решений экспертной системы.. 304

4.4.9. Прогнозирование технического состояния узлов. 305

Выводы.. 306

Вопросы и задания. 307

Список литературы.. 308

ПРИЛОЖЕНИЕ.. 309

Введение

Современные информационно-управляющие системы (ИУС) обра­зуют широкий класс информационно-промышленных систем (ICS – indus­trial control systems), включающих распределенные автоматизированные системы управления технологическими процессами, использующих мно­гофункциональные системы телемеханики, автоматизированные системы диспетчерского управления (SCADA), распределенные управляющие сис­темы (DCS – distributed control systems).

Этот класс систем управляет соответствующими техническими про­цессами в промышленности и в различных сферах повседневной жизни общества, объединенных общим названием «критическая инфраструктура народного хозяйства». Поэтому ИУС в подавляющем большинстве случаев являются системами реального времени, и к ним предъявляются высокие требования в части надежности, доступности, отказоустойчивости и ре­монтопригодности, которая обусловлена в первую очередь наличием встроенных и внешних систем функционального и тестового диагностиро­вания.

Наряду с ИУС повсеместное распространение и применение получил широкий класс IT-систем, объединенный названием инфокоммуникацион­ных систем (ИКС). Этот класс включает в себя телекоммуникационные сети, вычислительные сети, Интернет, интранет, корпоративные сети. К эксплуатационным характеристикам инфокоммуникационных систем предъявляются различные требования в зависимости от особенности их использования. Эти системы могут быть как системами реального вре­мени, так и допускать задержки в обмене информацией, перезапуск при отказах, но, как правило, предъявляют высокие требования к производи­тельности и достоверности передаваемой информации.

Таким образом, ИУС и ИКС характеризуются повышенными требо­ваниями к надежности, доступности, ремонтопригодности. Поэтому не вы­зывает сомнений актуальность тематики данного учебного пособия, по­священной всестороннему анализу проблемы обеспечения надежности не­восстанавливаемых и восстанавливаемых сложных программно-аппарат­ных систем и их компонентов, а также рассмотрению вопросов построения и применения встроенных и тестовых систем диагностирования.

В соответствии с поставленными задачами структура учебного посо­бия содержит четыре раздела.

В первой главе (подразд. 1.1–1.3) приведены основные понятия и оп­ределения, используемые в теории надежности и технической диагно­стики. В качестве математического аппарата используется теория вероят­ности и теория нечетких множеств.

Во второй главе (подразд. 2.1–2.6) приведены различные методиче­ские подходы к расчету, анализу и обеспечению надежности аппаратной части невосстанавливаемых и восстанавливаемых систем и устройств с ис­пользованием структурно-логических схем и формул надежности, а также аппарата марковских цепей.

В третьей главе (подразд. 3.1–3.4) рассматриваются вопросы по­строения надежного программного обеспечения и подход к расчету надеж­ности сложной программно-аппаратной системы с учетом надежности ее аппаратной и программной компонент.

В четвертом главе (подразд. 4.1–4.4) рассматриваются методы тесто­вого контроля цифровых устройств, принципы построения встроенных са­мопроверяемых устройств функционального контроля, а также основы проектирования самообучаемых экспертных систем диагностирования.

Для лучшего усвоения материала студентами разных специально­стей, изучающих проблемы повышения надежности, достоверности и дос­тупности ресурсов систем, приводятся многочисленные примеры обеспе­чения и расчетов надежности, а также построения тестовых и встроенных функциональных систем диагностирования как для информационно-управляющих систем, так и для инфокоммуникационных систем и их от­дельных компонент.

Учебное пособие предназначено:

– для магистрантов направлений подготовки 210700.68 «Сети, узлы связи и распределение информации» и 220400.68 «Распределенные ком­пьютерные и информационно-управляющие системы»;

– бакалавров направлений подготовки 210700.62 «Инфокоммуника­ционные технологии и системы связи», 220400.62 «Управление в техниче­ских системах» и 090900.62 «Информационная безопасность»;

– специалистов специальности 090303.65 «Информационная безо­пасность автоматизированных систем».

Авторы надеются, что данное учебное пособие окажет необходимую помощь студентам и магистрантам при выполнении курсовых и диплом­ных проектов и магистерских диссертаций, связанных с разработкой ин­формационных систем с заданными характеристиками надежности.